焦化原料泵泵軸的斷裂失效分析及其應(yīng)對(duì)措施.pdf

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1、石油和化工設(shè)備-38-技術(shù)交流2017年第20卷技術(shù)交流焦化原料泵泵軸的斷裂失效分析及其應(yīng)對(duì)措施12宋賽中，王和慧（1.中國二十冶集團(tuán)有限公司，上海201999）（2.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200237）[摘要]某焦化原料泵在輸送超稠油時(shí)出現(xiàn)泵軸斷裂事故，本文通過材質(zhì)、金相檢驗(yàn)，斷口宏觀特征觀察及微觀形貌分析等方法，對(duì)泵軸失效原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，泵軸材質(zhì)化學(xué)成分和金相組織均符合標(biāo)準(zhǔn)，在鍵槽側(cè)面中部發(fā)現(xiàn)凹坑裂紋源，斷口有明顯的疲勞輝紋和瞬斷區(qū)，為疲勞斷裂的典型特征，原因是超稠油黏度和阻力較大、泵軸在運(yùn)行過程

2、中由于啟動(dòng)沖擊和載荷波動(dòng)造成裂紋疲勞擴(kuò)展直至斷裂。為防止類似事故發(fā)生，文章提出了有效應(yīng)對(duì)措施。[關(guān)鍵詞]焦化原料泵；泵軸；斷裂；裂紋疲勞某公司焦化原料泵為公司聯(lián)合焦化裝置上原口平齊，且斷口恰好處于鍵槽的弧形部位，斷面料或給重油工段倒油。該泵為雙螺桿泵，規(guī)格型基本與軸垂直，無明顯的塑性變形，呈現(xiàn)出脆性號(hào)為WB.5Z-6720Mb1W80，轉(zhuǎn)速為720rpm，揚(yáng)程斷裂的宏觀特征。圖2為泵軸的斷口處宏觀形貌，3為250m，流量為200m/h，功率為196kw。該泵于觀察可見斷裂面整體上較為平整、細(xì)膩，存在多2015年8月更換了軸、

3、螺旋套等部件，更換后運(yùn)轉(zhuǎn)條明顯的疲勞輝紋，均以鍵槽處為中心向外發(fā)了4000h左右，2016年10月檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)該泵機(jī)械密散。疲勞輝紋是略呈彎曲弧線的溝槽狀花樣，與封軸承、軸均正常，運(yùn)轉(zhuǎn)15天后發(fā)生斷裂。泵軸裂紋擴(kuò)展方向近似垂直，是裂紋擴(kuò)展時(shí)留下的微#斷裂時(shí)正為焦化裝置上原料，泵入口連接110罐超痕跡。斷口上相對(duì)較為粗糙、向外凸出的較小區(qū)稠油。域?yàn)樽罱K瞬斷區(qū)。裂紋源、疲勞輝紋和瞬段區(qū)如泵軸服役溫度為50~60℃，泵出口工作壓圖2中的箭頭所示。上述斷口特征完全符合疲勞斷[3,4]力1.3MPa，當(dāng)泵輸送大混合油時(shí)，大混合油的裂機(jī)理

4、。2運(yùn)動(dòng)黏度為：132mm/s，當(dāng)泵輸送超稠油時(shí)，2超稠油的運(yùn)動(dòng)黏度為：3213mm/s。該泵材質(zhì)為0Cr17Ni4Cu4Nb，系由銅、鈮、鉻構(gòu)成的沉淀、硬化、馬氏體不銹鋼，材料具有高強(qiáng)度、硬度和抗腐蝕等特性。泵軸的制造是先鍛造棒料，再進(jìn)行車削磨制加工。依據(jù)上述功率和轉(zhuǎn)速，該泵軸在正常勻速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力只有20~30MPa，完全在材料強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。本文通過對(duì)斷裂泵軸的材質(zhì)化學(xué)成分、金相組織及斷口進(jìn)行檢驗(yàn)分析，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況，[1,2]確定泵軸的失效機(jī)理，以避免類似事故發(fā)生。圖1斷裂泵軸宏觀照片1理化檢驗(yàn)1.1

5、宏觀斷口分析作者簡介：宋賽中（1974—），男，安徽樅陽人，本科學(xué)歷，教圖1為開裂泵軸的宏觀照片，可以看出軸的斷授級(jí)高級(jí)工程師，從事機(jī)電設(shè)備研究、施工與維護(hù)工作。第3期宋賽中等焦化原料泵泵軸的斷裂失效分析及其應(yīng)對(duì)措施-39-1.2化學(xué)成分分析在斷裂泵軸的斷口上截取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，數(shù)據(jù)結(jié)果見表l，所測元素含量均符合GB/T1220-2007《不銹鋼棒》中關(guān)于0Cr17Ni4Cu4Nb鋼標(biāo)準(zhǔn)值的技術(shù)要求。1.3金相分析在斷裂泵軸橫截面上取樣，從軸心到邊緣部位進(jìn)行金相檢測，金相取樣部位見圖3。試樣1位于軸的外緣，試樣3位于軸

6、的心部，試樣2位于軸圖2泵軸斷口處宏觀照片外緣和心部之間。表1斷軸化學(xué)成分測試結(jié)果元素CSiMnCrNiPSCuNb測試值0.0300.380.6416.054.230.02≤0.0053.640.29標(biāo)準(zhǔn)值≤0.070≤1.00≤1.0015.00～17.503.00～5.00≤0.040≤0.0303.00～5.000.15～0.45圖3金相試樣取樣部位將試樣打磨、拋光并進(jìn)行侵蝕后在金相顯微鏡下觀察，金相照片見圖4~圖6。可以看出，顯微組織為馬氏體+彌散分布的強(qiáng)化相+鐵素體，顯微組織正常，符合0Cr17Ni4Cu4Nb材

7、料的金相組織標(biāo)準(zhǔn)圖譜。圖4試樣1金相組織圖5試樣2金相組織石油和化工設(shè)備-40-技術(shù)交流2017年第20卷圖6試樣3金相組織1.4斷口微觀分析過程留下了明顯刀痕，經(jīng)波動(dòng)式碾壓，萌發(fā)裂紋對(duì)斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察。首先觀察裂紋源源。因無法看到服役前的鍵槽側(cè)面，故是否存在處（見圖3斷口A處和圖7裂紋源），SEM照片如圖加工刀痕為不確定的因素。(2)在泵軸運(yùn)行過程7所示。從圖中可以看出，鍵槽受壓的側(cè)面中部存中，因扭矩波動(dòng)范圍較大，導(dǎo)致鍵槽側(cè)面受到的在凹坑，成為裂紋擴(kuò)展的起源點(diǎn)。進(jìn)一步對(duì)鍵槽擠壓載荷波動(dòng)較大，經(jīng)反復(fù)波動(dòng)式碾壓，產(chǎn)生表側(cè)面

8、凹坑進(jìn)行能譜分析，沒有檢測出腐蝕產(chǎn)物，面疲勞破壞；另外若啟動(dòng)過快，也會(huì)對(duì)表面產(chǎn)生說明凹坑不是由腐蝕產(chǎn)生的。鍵槽側(cè)面凹坑，不較大的沖擊載荷，局部掉塊后形成凹坑。凹坑裂是在鍵槽底部尖角處，故也排除了尖角應(yīng)力集中紋源進(jìn)一步向泵軸內(nèi)部疲勞擴(kuò)展。導(dǎo)致裂紋起源的因素。疲勞擴(kuò)展區(qū)（見圖3斷口B處和圖7裂